潜艇避碰声呐发展分析

2024年2月1日发(作者：)

第43卷第1期2021年1月舰船科学技术SHIP

SCIENCE

AND

TECHNOLOGYVol.

43,

No.

1Jan.,

2021潜艇避碰声呐发展分析李宁1,宋俊1,杨秀庭1,韩志斌1,苏冰1,高本征2(1.海军研究院，北京100161;

2.中国运载火箭技术研究院，北京100076)摘

要：在阐述国外潜艇避碰声呐发展现状及趋势的基础上，结合潜艇避碰声呐使用的主要场景，分析潜艇

避碰声呐能力需求，提出相关的研制功能要求，并进一步分析避碰声呐发展涉及的关键技术及难点。相关研究可为

我国潜艇避碰声呐的发展提供一定参考。关键词：潜艇；避碰声呐；发展分析中图分类号：U661.1

文献标识码：A文章编号：1672

-

7649(2021)01

-

0146

-

04

doi：

10.3404/.l672

-

7649.2021.01.027Development

analysis

of

submarine

anti-collision

sonarLI

Ning1,

SONG

Jun1,

YANG

Xiu-ting1,

HAN

Zhi-bin1,

SU

Bing1,

GAO

Ben-zheng2(1.

Naval

Institute,

Beijing

100161,

China;

2.

China

Academy

of

Launch

Vehicle

Technology,

Beijing

100076,

China)Abstract:

The

research

status

and

development

trend of

foreign

submarine

anti-collision

sonar

are described

analyzed,

on

this

basis,

combining

with

the

main

application

scenarios

of

submarine

anti-collision

sonar,

the

demands

of

its

capability

are

analyzed,

and

the functional

requirements

are

put

forward,

then

the related

key

technologies

are

further

analyzed.

The

re­search

can

provide

reference

for

the

development

of

submarine

anti-collision

sonar

in

our

words:

submarine;

anti-collision

sonar；

demand

analysis0引言潜艇在水下空间主要利用声呐设备进行探测感知

十到数百千赫，探测距离通常在几百米至1000

m左

右，声呐分辨率好，能探测礁石、沉船、水雷等航行

障碍物，辅助潜艇操纵人员规避危险物体，保障潜艇

水下航行安全。目前，避碰声呐已经成为国外潜艇声

等活动，其中避碰声呐(有时也称探雷与避碰声呐)

是潜艇水下近程避碰探测的主要声学手段，是确保潜

艇水下航行安全的重要保障。近几年来，随着各国潜

设备的基本配置ut。美国海军潜艇避碰声呐装备UT主要包括AN/BQS-

15,

AN/BQS-24避碰声呐，CHIN高频主动声呐系统

艇活动海域范围的不断扩大，水下航行过程中可能会

遇到各种危险障碍物，因此，避碰声呐越来越得到潜

等。为了保证这类声呐的探测范围，一般将其布置在

艇操纵员的重视，对其需求也愈加迫切。如何开发设

计合理的功能性能，满足潜艇操纵员的使用需求，是

围壳较高处，有的也在艇首声呐的主基阵下方布置一

个高频避碰声呐基阵，以获得良好的探测视线。极其重要的问题。本文从国外现状、军事需求、关键

技术三方面分析潜艇避碰声呐发展相关问题，意在为

AN/BQS-15避碰声呐属于美国AN/BQQ-5潜艇综

合声呐系统的一部分，主要装备于“洛杉矶”级攻击

我潜艇避碰声呐的未来发展及功能设计提供一定的参考。1国外现状及发展趋势核潜艇，安装在围壳处，工作在高频段，用于探测水

雷和其他障碍物。安装位置如图1所示。AN/BQS-24避碰声呐在BQS-15避碰声呐基础上进

1.1国外现状国外非常重视避碰声呐及相关技术的发展，根据

行改进，在顎首部和指挥台围壳有发射阵和接收阵。

顎首阵安装在艇壳较低的位置，可以在海面或较浅深

不同平台特点和要求，开发了各种类型的避碰声呐。

避碰声呐以主动方式工作，工作频率较高，一般在几

度工作。发射阵可照射到潜艇下部区域而不受首部的

干扰，较大的垂直孔径可以在垂直方向生产较窄的波收稿日期:2020

-

03

-

03作者简介:李宁(1986-),男，工程师，研究方向为水声工程。

第43卷李宁，等：潜艇避碰声呐发展分析•

147

•率，提高了潜艇的隐蔽性。CHIN声呐新功能为美国海

军潜艇部队探测和摸索重要水下航道、丰富海军潜艇部

队海底数字地图、保障美国海军前沿部署发挥重要作用。此外，法、德、英、俄等海军强国潜艇均配置了

类似的避碰声呐［一役

其中，法国“銚鱼”级潜艇配置

了泰勒斯公司的MOAS避碰声呐，安装于潜艇平台的

前端，采用一条垂直阵用于发射，一条水平阵用于接

图1

“洛杉矶”级核潜艇装备的AN/BQS-15探雷

与避障声呐的基阵收信号，工作频率几十千赫，支持探测、识别和导航

3种工作模式，具备规避海底障碍物、探测水中锚

Fig.

1

AN/BQS-15

sonar

of

Los

Angeles

submarine束从而降低多途影响。主要装备于“海狼”级、“弗

尼吉亚”级攻击核潜艇。安装位置如图2所示。图2

“海狼”级核潜艇装备的AN/BQS-24探雷

与避障声呐的基阵Fig.

2

AN/BQS-24

sonar

of

Seawolf

submarineCHIN高频主动声呐系统属于美国AN/BQQ-10潜

艇综合声呐系统的一部分，安装在最新服役的几艘

“弗尼吉亚”级攻击核潜艇，基阵配置在原有BQS・

24避碰声呐基础上进一步改进，主要在艇首下顎部新

增一套高频基阵，通过测量前下方海底地形实现地形

匹配导航。安装位置如图3所示。图3

“弗尼吉亚”级核潜艇装备的CHIN高频主动声呐系统Fig.

3

CHIN high-frequency

active

sonar

of

Virginia

submarine美国潜艇避碰声呐有多种工作模式，包括浅水工

作模式、深海工作模式、冰层下工作模式、雷区工作

模式等，可根据不同海工作场景和海域实际情况进行

选择，完成各种使命任务。随着技术发展和需求牵

引，潜艇避碰声呐已经向水下定位导航发展，如

CHIN高频避碰声呐系统不仅仅能完成传统的探雷、避

碰、测冰等任务，还能凭借优异的性能，通过扫描水

下航道或者待机阵位的地形地貌，与数据库中的数字

海底地图进行比对，进行潜艇水下的定位导航。一定

程度上改变了以往潜艇需要通过上浮利用无线电或者

卫星导航的传统模式，降低了潜艇定位导航中的暴露

雷、上浮过程中探测水面舰船等能力；德国U212、

214型潜艇配置MAA3070避碰声呐，换能器阵列选用

平面阵形式，具有低频2D、高频3D前视功能；英国

“机敏”级攻击核潜艇也配置了近程测距识别高频声

呐，安装位置如图4所示。图4英国“机敏”级攻击核潜艇安装高频避碰

声呐基阵的位置Fig.

4

High-frequency

sonar

array

of

Astute

submarine1.2发展趋势综合国外潜艇避碰声呐的发展情况，其发展趋势

主要有以下几个特点：1） 避碰声呐是潜艇声呐系统的重要组成部分。如

CHIN高频主动声呐系统属于AN/BQQ-10潜艇综合声

呐系统、“机敏”级近程测距识别高频声呐属于2076

潜艇综合声呐系统。近些年来，国外潜艇声呐系统均

采用一体化设计思路，避碰声呐在一体化系统架构

下，主要利用高频收发阵实现避碰功能。其中，基阵

方面普遍采用收发分置设计，既可以根据使用需求保

持发射和接受信号的角度，又可以降低声呐基阵在艇

上的安装施工难度。同时通过基阵复用设计，为系统

其他功能提供数据。2） 具备多种功能设计和工作模式。从功能设计

上，前视和上视避碰功能是潜艇航行安全所必备的功

能，下视避碰功能是为适用浅水作战等新的作战任务

要求而增加的新功能。如各国潜艇避碰声呐普遍具备

前视和上视避碰功能，利用主动声呐回波亮点对前方/

前上方几百米左右的锚雷、渔船等障碍物进行有效探

测。在此基础上，根据新的任务要求，部分声呐具备

海底三维地形成像能力，实现对前下方障碍物避碰探

•

148

•舰船科学技术第43卷测的同时，兼顾若干特殊任务（如海底地形匹配导

引起事故，要求避碰声呐具有较高的检测概率；同时

又要虚警率低，避免开启不必要的避碰模式，影响平

航）的需求，如美国CHIN高频声呐系统。3）自动化程度高，具备对障碍物的自动避碰报警

台正常作业，要求避碰声呐具有较低的虚警。这种

“既不能漏报、又不能虚警”的探测需求，是避碰声

呐设备有别于其他探测声呐的主要特点。潜艇避碰声呐与汽车倒车辅助避碰系统十分相

能力。由于避碰声呐主要用于保障潜艇航行安全，要

求其具备较高的自动化探测、识别报警和处理能力，

以及较小的虚警率，以满足“既不能漏报、又不能虚

警”的报警需求。如国外避碰声呐普遍具有对类似鱼

雷、渔船等目标向操作员进行自动避碰告警的能力，

似，在功能设计和能力要求上可充分借鉴其思路。例

如，目前汽车普遍配置倒车雷达功能，可对后方目标

进行探测提供距离、方位等信息，同时根据距离远近

给出告警信息；更高级的倒车系统在倒车雷达提供障

支持操纵员提前做出规避动作。2军事需求分析2.1应用场景分析潜艇是水下重要作战力量，安全航行是其执行作

战及训练任务的前提条件。为了确保水下航行安全，

对水中障碍物的发现和规避极为重要问。目前，潜艇

在水下航行时可综合利用潜望镜、光电设备、声学设

备等获取前方障碍物信息。其中，利用高频避碰声呐

对障碍物进行探测，是确保航行安全的主要声学手

段。潜艇水下安全航行应用避碰声呐的主要场景如下：1）

在上浮过程中探测水面漂浮或低速航行的渔

船、舰艇等水面障碍物。近年来，沿岸及周边海域渔

船数量急剧增加，对潜艇的正常作战及训练的威胁程

度不断提高。上浮过程中，需要及时准确地探测水面

障碍物，确保上浮安全。此外，在高纬度冰层下上浮

时，利用避碰声呐测量获取冰层厚度，对于破冰上浮

操纵也是十分必要的。2）

探测战时航道中布放的锚雷。水雷是一种十分

有效的海战武器，其最大的特点是隐蔽性好，威力

大。未来濒海作战中，主要作战对手可能会针对重要

航道和水域进行隐蔽布雷，给潜艇兵力带来巨大安全

隐患，极大地限制潜艇兵力行动的机动性。因此，在

存在锚雷的可能海域，利用避碰声呐及时探测锚雷是

确保潜艇自身安全的必要手段。3）

探测航行前下方可能存在的暗礁等（尤其在狭

窄水道等海底地形复杂海域）海底碍航物。潜艇作战

海域广阔，包括浅海/深海，海底平坦或复杂海域。在

已测绘的海域，潜艇操纵员可通过海图提供的海底地

形信息选择合理航线，但在未知海域或信息掌握有限

的海域，由于海底地形信息缺乏，存在触礁等航行安

全隐患。尤其是潜艇通过狭窄水道或在战时紧急进入

未知海域的情况下，均需要现场探测海底障碍物以确

保潜艇的隐蔽航行安全。2.2能力需求分析根据各种平台避碰设备的使用特点，对航行障碍

物的探测，既要检测概率高、避免发生障碍物漏报、

碍物距离、方位信息的基础上，增加倒车影像信息，

可进一步辅助驾驶员掌握避碰物属性。目前来看，倒

车雷达可基本满足汽车倒车的避碰需求，影像信息只

是一种辅助信息旷也对潜艇避碰声呐而言，为达成“高检测率下的发

现能力和低虚警下的报警能力”，首先必须掌握目标

的距离、方位等信息，其次若要实现有效报警，需要

进一步掌握目标避碰特征属性（如目标尺度、材质

等）。在此基础上，若能掌握更多的目标特征（如成

像信息），则有利于对目标的精确判别。因此，从应

用需求来看，掌握障碍物距离、方位信息并实现报警

即可满足基本的航行避碰需求，其他信息为辅助信

息，可进一步提高避碰判断的准确性。综合以上分析，对潜艇避碰声呐的能力要求主要

包括3个方面：一是近程障碍目标的发现能力，包括

发现距离等；二是规避目标的报警能力，包括报警距

离、虚警率等；三是辅助识别能力，包括目标精细分

类及识别能力。2.3主要功能要求潜艇避碰声呐应能满足潜艇对障碍物和水雷目标

的规避需求，保障潜艇的航行安全。主要功能要求如下:1）

具备障碍物及锚雷主动探测功能。可探测潜艇

前上方、前方、前下方障碍物及锚雷目标，测定目标

的距离、方位。借鉴国外研制思路，考虑潜艇操纵状

态（上浮、下潜、航行等）、航行速度、回转半径及

可能的障碍物类型等因素，对前方障碍物的主动发现

距离不小于几百至几千米，可根据需求进行具体的量

化计算。需要强调的是，该发现距离的前提是具备较

高的目标检测概率。2）

具备对危险目标的自动告警功能。可对探测到

的渔船、锚雷等危险目标自动告警。自动告警是在目

标检测发现的基础上，在对目标作出准确识别判断的

前提下，进行自动声光等提示报警。为了尽量减轻操

纵员的值班负荷，需要较低的报警虚警，且报警距离

满足规避需求。3）

具备多种工作模式，满足不同安全航行场景的

第43卷李

宁，等：潜艇避碰声呐发展分析•

149

•使用需求，并支持功能拓展。可根据应用场景任务需

求，切换并支持高/低频模式、二维/三维模式、作战探

测/水下导航/海底测绘/测冰等工作模式。通过多种工

作场景的针对性设计及开发，满足浅水、深海等多种

复杂海洋地貌条件下的航行安全，可进一步提供给操

的表面材质特性，特别适合于识别和区分礁石、鱼

群、气泡等不同类型目标。关于这方面的研究，国内

已有相关基础［10-11］,可在后续发展过程进一步进行有

针对性地研究，并通过试验验证筛选可行技术途径。3.3多工作模式设计技术不同应用场景对避碰声呐的功能性能需求不同,

纵员更多目标信息，辅助其判情。同时，在一体化系

统架构下，应用开放式设计思路，支持相关功能拓展。需要说明的是，上述要求是比较理想的设计考

虑，不同平台可根据使用需求及实现可行性进行要求

其带来的算法设计亦有不同点和侧重点。各国潜艇前

视规避声呐普遍具有探雷、规避障碍物的功能，有的

还具有利用地形探测实现水下导航的功能。为此，在

裁剪，据此配置相关基阵及功能。3关键技术及难点根据潜艇规避声呐的使用特点，为了最大限度满

足“低漏报、低虚警”的探测需求，检测能力及报警

能力是其核心能力，是确保避碰声呐性能发挥的关键

点，也是避碰声呐研制的难点。根据2.3节所提的功

能要求，其涉及的关键技术包括波束稳定和相控技

术、障碍目标识别技术及多工作模式设计技术等。

3.1波束稳定和相控技术避碰声呐对障碍物探测的主要性能由声呐参数决

定，但同时会受到来自水面、海底混响、平台稳定

性、声场扰动、声线弯曲等多种因素的影响。由于声

呐探测的主波束覆盖范围是潜艇航行空间，但是主波

束会受到来自界面回波的干扰，同时旁瓣方向的强回

波也会引入干扰呵。因此，为最大概率地发现前方可

能的障碍目标，同时尽量避免探测或者有效识别和剔

除水面波浪、海底、船只尾流等非障碍物目标，避碰

声呐需要能够发射和接受一个稳定、适合束宽、指向

自适应的波束，这是有效探测的重要基础。采取波束

自适应稳定及垂直波束相控技术，根据潜艇的深度和

高度，设置适当的发射束宽，根据航行器的姿态参数

实时调整波束指向，保证波束指向航行方向。关于这

方面的研究，国内外相对比较成熟，后续研制避碰声

呐需要根据使用特点改进提升相关技术，进一步抑制

旁瓣、减少载体平台稳定及水声环境的影响。3.2障碍目标识别技术避碰报警的核心技术是障碍目标识别技术。障碍

目标识别是将影响航行的障碍目标(水面船、礁石、

沉船、水雷、渔网)从虚假目标(水面回波、海底回

波、船只尾流、湍流气泡)和不影响航行的目标中筛

选出来。为了尽可能的降低避碰报警的虚警率，障碍

物目标识别技术是关键。目标识别方法包括基于声呐

图像的目标检测识别技术和基于声回波多特征的目标

识别技术。其中，声回波特征主要包括相位特征、波

形特征和时频特征等，尤其是相位特征可以反映目标

设计潜艇避碰声呐时应在考虑不同应用场景的前提

下，合理设计工作模式，最大限度发挥声呐设备功能

性能，以满足不同任务需求。例如，高/低频探测模式

的切换可充分发挥低频远距离、高频高分辨率的优

势；水平探测和垂直探测模式在疑似目标所在水平和

垂直范围内的自动切换、多次扫描，同时获得水平多

波束和垂直多波束图像，可探测得到疑似目标的水平

方位、垂直方位和距离等三维参数信息。4

结语潜艇避碰声呐作为辅助潜艇水下航行安全的重要

声学设备，其功能设计及未来发展应得到更高重视。

本文在分析国外潜艇避碰声呐发展现状及趋势的基础

上，结合主要应用场景，分析了潜艇避碰声呐的能力

需求，提出了相关的功能要求，并简要分析了涉及的

关键技术及难点。参考文献：［1

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